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Die Erfindung betrifft ein Tankventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Tankventils.
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Ein Tankventil zur Montage an einem Druckgasbehälter ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Ein solches Tankventil wird auch häufig mit dem englischen Begriff On-Tank-Valve bzw. seiner Abkürzung OTV bezeichnet. Das Tankventil ist dabei ein Aufbau mit einem Grundkörper, welcher zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei ein erster Grundkörperabschnitt im montierten Zustand in den Druckgasbehälter ragt und dichtend mit diesem verbunden ist. Typischerweise ist dieser erste Grundkörperabschnitt über ein Außengewinde in ein Innengewinde einer korrespondierenden Aufnahme des Druckgasbehälters eingeschraubt. Neben diesem im montiertem Zustand innerhalb des Druckgasbehälters bzw. seines Anschlussgewindes liegenden ersten Grundkörperabschnitt hat der Grundkörper typischerweise einen zweiten Grundkörperabschnitt, welcher sich im montiertem Zustand außerhalb des Druckgasbehälters befindet. Einer oder typischerweise beide der Grundkörperabschnitte weisen nun sogenannte Funktionsuntergruppen auf, welche zur Realisierung der Funktionalität des Tankventils notwendig sind. Derartige Funktionsuntergruppen können beispielsweise ein Entnahmeventil, ein Rückschlagventil in einer Betankungsleitung, ein Sicherheitsventil, ein (manuelles) Absperrventil, ein Filter, eine Anschlussbuchse für eine Betankungs- und/oder Entnahmeleitung oder Ähnliches sein.
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Beispielhaft soll hinsichtlich eines derartigen Tankventils auf die gattungsgemäße
JP 2009-168165 A hingewiesen werden, welche ein solches unter der Bezeichnung Hochdruckventil zeigt. Bei dem gattungsgemäßen Hochdruckventil ist es dabei so, dass dieses über einen gemeinsamen Gasanschluss verfügt, welcher sowohl zur Betankung als auch zur Entnahme von Gas dient. Er verzweigt sich im inneren eines Grundkörpers des Tankventils in eine Betankungsleitung mit einem ersten größeren Querschnitt und einem Rückschlagventil einerseits und in eine Entnahmeleitung mit kleinerem Querschnitt und einem Pilotventil andererseits. Der Aufbau zeigt außerdem zwei Filter zum Herausfiltern von Verunreinigungen aus dem strömenden Gas, wobei einer der Filter zwischen dem Pilotventil und dem Inneren des Druckgasbehälters in der Entnahmeleitung und der andere Filter in der Betankungsleitung eingesetzt ist. Dieser Aufbau ist entsprechend aufwändig und benötigt vergleichsweise viel Bauraum innerhalb des Grundkörpers, um die beiden Filter in der verzweigten Leitung anordnen zu können. Dies macht den Bauraum des Tankventils an sich größer und erfordert einen größeren Grundkörper, welcher dementsprechend mehr Material benötigt und neben dem Nachteil seiner größeren Baugröße darüber hinaus schwerer ausfällt. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen stellt dies einen nicht unerheblichen Nachteil dar.
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Weitere Ventile sind beispielsweise aus der
US 2009/0146094 A1 oder in der Ausgestaltung als Pilotventil auch aus der
EP 1 682 801 B1 bekannt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den genannten Nachteil zu vermeiden und ein sicher funktionierendes Tankventil anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Tankventil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Tankventils angegeben.
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Das erfindungsgemäße Tankventil weist, ähnlich wie das Tankventil gemäß dem gattungsgemäßen Stand der Technik, einen Grundkörper und zwei Filter auf. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass der erste Filter zwischen dem Gasanschluss und der Verzweigung in die Entnahmeleitung und die Betankungsleitung angeordnet ist, und dass der andere zweite Filter zwischen dem Inneren des Druckgasbehälters und der Entnahmeleitung angeordnet ist. Diese erfindungsgemäße Anordnung der Filter lässt sich außerordentlich kompakt realisieren, sodass kaum Bauraum des Grundkörpers für die Positionierung der Filter benötigt wird. Insbesondere wird in dem Bereich des Grundkörpers, welcher in das Innere des Druckgasbehälters bzw. sein Anschlusselement ragt, sehr wenig Bauraum benötigt. Da dieser Bereich durch den Durchmesser des Anschlusselements im zur Verfügung stehenden Bauraum entsprechend begrenzt ist, stellt dies einen erheblichen Vorteil dar.
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In der Praxis ist dabei eine ausreichend gute und zuverlässige Filterwirkung zu erreichen. Es hat sich den Erfindern in der Sache gezeigt, dass über den ersten Filter Verunreinigungen aus dem gespeicherten Gas sicher und zuverlässig ausgefiltert werden. Typischerweise wird dabei das Eindringen von Partikeln, welche größer als 10 μm sind, durch die Bauart des Filters verhindert. Anders als bei dem Aufbau im gattungsgemäßen Stand der Technik ist es nun so, dass die Erfinder in Kauf nehmen, dass über die Betankungsleitung Partikel, welche innerhalb des Tankventils in den Gasstrom gelangen, auch in das Innere des Druckgasbehälters gelangen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dies typischerweise unkritisch ist. Diese Partikel lagern sich im Allgemeinen in dem Druckgasbehälter ab und verursachten auch in längeren Praxistests keinerlei Störungen im Bereich des Tankventils. Um nun dennoch zu verhindern, dass diese Partikel gegebenenfalls zurück in die Entnahmeleitung und damit in den Bereich des ungleich empfindlicheren Entnahmeventils, welches typischerweise als Pilotventil mit elektromagnetischer Ansteuerung ausgebildet ist, gelangen, ist ein zweiter Filter zwischen dem Inneren des Druckgasbehälters und dem Entnahmeventil in der Entnahmeleitung vorgesehen. Über diesen Filter wird im Wesentlichen das Entnahmeventil von eventuell aus dem Tankventil selbst in den Druckgasbehälter eingetragenen Partikeln oder seit der Fertigung in dem Druckgasbehälter befindlichen Partikeln geschützt.
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Die Erfahrung hat gezeigt, dass durch dieses erfindungsgemäße Konzept der zwei Filter ein Zusetzen der Filter weitgehend vermieden wird. Partikel können sich im Filter absetzen, sind in ihrer Anzahl jedoch vergleichsweise gering. Durch das Konzept wird außerdem verhindert, dass die Partikel zwischen den Filtern hin und her transportiert werden und sich dort entsprechend anreichern und somit die Filter zeitlich sehr viel schneller zusetzen oder das Innere des Entnahmeventils mit denselben Partikeln beschädigen. Der erfindungsgemäße Aufbau mit den beiden Filtern ist somit wartungsfrei über die gesamte Betriebsdauer, da sich der Großteil der anfallenden Partikel im Behälter selbst absetzt und dort, so hat es sich gemäß der Erfahrung der Erfinder gezeigt, auch verbleibt.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es nun vorgesehen, dass der erste Filter in den Gasanschluss des Tankventils integriert ausgebildet ist. Der erste Filter kann insbesondere integriert in den Gasanschluss des Tankventils ausgebildet sein. Eine solche Integration in den Gasanschluss des Tankventils ist besonders einfach und effizient. Der Filter kann zusammen mit dem Gasanschluss in eine entsprechende Aufnahmebohrung in dem Grundkörper des Tankventils eingeschraubt werden. Er sitzt dabei zentral im Inneren des Gasanschlusses und benötigt somit zusammen mit dem Gasanschluss kaum mehr Bauraum, als es der Gasanschluss alleine tun würde.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tankventils ist es außerdem vorgesehen, dass der zweite Filter eine Mündung der Entnahmeleitung überdeckend an dem Grundkörper, und zwar an einem im montierten Zustand in den Druckgasbehälter ragenden Abschnitt des Grundkörpers, angeordnet ist. Er kann somit außerhalb des Grundkörpers auf diesem positioniert werden, sodass auch für diesen zweiten Filter kein Bauraum innerhalb des Grundkörpers vorgesehen werden muss. Der zweite Filter ragt dann in das Innere des Druckgasbehälters hinein und bildet somit direkt den Eintritt in die Entnahmeleitung aus. Gemäß einer weiter unten noch beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung kann der Filter dabei Teil eines integrierten Bauteils sein. Bei der Entnahme von Gas in Strömungsrichtung vor dem Filter können also weitere Anbauteile montiert sein, welche dann ebenfalls in den Druckgasbehälter hineinragen. Dies können insbesondere weitere Ventileinrichtungen, wie sie später noch näher beschrieben werden, sein. Idealerweise sind dabei in Strömungsrichtung des Gases bei der Entnahme zwischen dem Filter und dem Entnahmeventil keine weiteren Bauteile, insbesondere keine beweglichen Bauteile, wie beispielsweise Ventileinrichtungen, angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Tankventils kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Entnahmeleitung und die Befüllleitung in etwa denselben Durchströmungsquerschnitt aufweisen. Die Leitungselemente, welche typischerweise durch gebohrte Kanäle innerhalb des Grundkörpers des Tankventils ausgebildet werden, weisen also denselben Querschnitt auf. Hierdurch wird der Fertigungsprozess des Tankventils vereinfacht. Sich eventuell in den Leitungen befindliche Partikel werden durch die Leitungen bewegt und sammeln sich im Fall der Betankungsleitung in dem Inneren des Druckgasbehälters.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass in der Betankungsleitung ein Rückschlagventil vorgesehen ist, welches die Durchströmung der Betankungsleitung bei der Entnahme von Gas unterbindet. Ein solches Rückschlagventil in der Betankungsleitung ist vergleichbar wie das Rückschlagventil im Stand der Technik aufgebaut. Es öffnet bei der Betankung und erlaubt so das Einströmen von Gas in den Druckgasbehälter. Gleichzeitig wird es bei der Entnahme durch den im Inneren des Druckgasbehälters herrschenden Druck unterstützt durch die Kraft eines Federelements verschlossen, sodass in diesem Fall kein unerwünschtes Abströmen von Gas durch die Betankungsleitung erfolgen kann. Das Rückschlagventil wird dabei durch das Federelement in der Art unterstützt werden, dass der Ventilkörper gegen den Ventilsitz gepresst wird, sodass zusätzlich zum Gegendruck des Restgases im Druckgasbehälter bei der Betankung auch die Kraft der Feder überwunden werden muss. Hierdurch ist auch bei einem sehr geringen Restdruck innerhalb des Druckgasbehälters eine sichere und zuverlässige Abdichtung der Betankungsleitung durch das Rückschlagventil gewährleistet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass in der Entnahmeleitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches die Durchströmung der Entnahmeleitung beim Betanken unterbindet. Dieses weitere Rückschlagventil ist insbesondere dann von entscheidendem Vorteil, wenn der Durchmesser der Betankungsleitung und der Entnahmeleitung gleich gewählt wird. In diesem Fall könnte sich bei der Betankung der Druck des Gases auch in die Entnahmeleitung fortpflanzen, insbesondere dadurch begünstigt, dass diese beiden Leitungen durch den vergleichbaren Strömungsquerschnitt vergleichbare Verhältnisse hinsichtlich der Durchströmung und der Druckverluste bereitstellen. Da nun ein Entnahmeventil, insbesondere wenn dieses als Pilotventil aufgebaut ist, einer entsprechend hohen Druckdifferenz, wie sie beim Betanken typischerweise auftritt, im Allgemeinen nicht standhält sondern von einer solch hohen Druckdifferenz zumindest zeitweise aufgedrückt wird, könnte Gas auf diesem Weg in das Innere des Druckgasbehälters strömen. Das Gas könnte dabei durch den typischerweise hohen Volumenstrom und die hohe Strömungsgeschwindigkeit gegebenenfalls zu einer Beeinträchtigung der späteren Funktion des Entnahmeventils führen. Dies kann durch das weitere Rückschlagventil verhindert werden. Das weitere Rückschlagventil ist dabei ein im Normalzustand geöffnetes Rückschlagventil, welches durch ein Federelement immer dann in der geöffneten Stellung verharrt, wenn ein ausgeglichener Druck auf beiden Seiten des Ventilkörpers anliegt oder wenn es in der Entnahmerichtung durchströmt wird.
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Darüber hinaus würde ein Einströmen des Gases bei der Betankung durch die Entnahmeleitung zu einem Gasaustritt im Bereich der Entnahmeleitung führen. Dies kann unter Umständen unerwünscht sein, da typischerweise in dem Bereich, in dem die Entnahmeleitung in dem Grundkörper endet, ein Temperatursensor angeordnet ist, welcher dann von dem Gas direkt angeströmt wird und somit fehlerhafte Temperaturwerte liefert, da das Gas bei der direkten Anströmung anders temperiert ist, als wenn das Gas sich in dem Inneren des Druckgasbehälters entsprechend vermischt hat.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann es in dem Tankventil gemäß der Erfindung ferner vorgesehen sein, dass an der Mündung der Betankungsleitung in dem Druckgasbehälter ein Rohrabschnitt angeordnet ist, welcher eine größere axiale Länge aufweist, als ein an dem Grundkörper angeordneter Temperatursensor. Ein solcher Rohrabschnitt unterstützt bei der Betankung, dass das Gas nicht unmittelbar in den Bereich des Temperatursensors strömt, was zu den oben beschriebenen Nachteilen führen würde, sondern dass dieses zuerst in den Druckgasbehälter einströmt und dann mit dem bereits im Inneren des Druckgasbehälters befindlichen Gas gemischt wird. Insbesondere weist der Rohrabschnitt an seinem dem Druckgasbehälter zugewandten Ende den geringsten Öffnungsquerschnitt auf. Hierdurch kommt es zu einer Strahlbildung bzw. Bündelung des in den Druckgasbehälter einströmenden Gases. Durch diesen gebündelten Gaseintritt und den damit verbundenen Impuls lässt sich eine besonders homogene Mischung und Verteilung des Gases in dem Druckgasbehälter erzielen, sodass das noch im Druckgasbehälter befindliche Restgas und das über den Rohrabschnitt neu einströmende Gas sehr gleichmäßig vermischt sind. So kann die in dem Druckgasbehälter tatsächlich vorliegende Temperatur mit dem Temperatursensor zuverlässig gemessen werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Rohrabschnitt gegenüber einer zentralen Achse des Druckgasbehälters, welche typischerweise auch die zentrale Achse des in dem Druckgasbehälter eingeschraubten Tankventils ist, abgewinkelt oder gebogen ist. Typischerweise reicht dabei eine leichte Abwinklung in der Größenordnung von beispielsweise 5 bis 15° aus, um beim Betanken des Druckgasbehälters dafür zu sorgen, dass das Gas so in den Druckgasbehälter einströmt, dass dieses sich mit dem bereits im Druckgasbehälter befindlichen Gas relativ gleichmäßig über die gesamte Länge des Druckgasbehälters vermischt und somit eine sichere und zuverlässige Anzeige der mittleren Temperatur des Gases in dem Druckgasbehälter über den Temperatursensor an dem Grundkörper des Tankventils möglich wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee sieht es nun ferner vor, dass in der Entnahmeleitung eine Rohrbruchsicherung vorgesehen ist, welche eine Durchströmung der Entnahmeleitung in Entnahmerichtung verhindert, wenn der Gegendruck auf der dem Inneren des Druckgasbehälters abgewandten Seite der Rohrbruchsicherung unter einen Grenzwert abfällt. Eine solche Rohrbruchsicherung verschließt die Entnahmeleitung für den Fall, dass auf der dem Druckgasbehälter abgewandten Seite der Rohrbruchsicherung in der Entnahmeleitung der Druck stark abfällt oder sich kein Gegendruck mehr aufbaut. In diesem Fall wird von einem Defekt der Entnahmeleitung oder von sich an die Entnahmeleitung anschließenden Komponenten ausgegangen und die Rohrbruchsicherung verschließt selbststätig die Entnahmeleitung, sodass über den Defekt bzw. die Leckage, beispielsweise ein durch einen Unfall abgerissenes Rohr oder dergleichen, kein Gas aus dem Druckgasbehälter unkontrolliert abströmt.
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Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Tankventils liegt in der sicheren, einfachen Funktionalität. Außerdem wird ein zuverlässiger und hinsichtlich der Filter wartungsfreier Aufbau erreicht, welcher darüber hinaus sehr leicht und kompakt realisiert werden kann. All diese Vorteile wirken sich insbesondere bei Fahrzeuganwendungen entsprechend vorteilhaft aus. Deshalb ist eine Verwendung des Tankventils gemäß Anspruch 10 an einem Druckgasbehälter zur Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas, und hier insbesondere bei einem Nenndruck von mehr als 65 MPa, als Brennstoff in einem Fahrzeug vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tankventils sowie seiner Verwendung ergeben sich außerdem aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen sowie aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig dargestelltes Fahrzeug mit einem Speichersystem für komprimiertes Gas als Brennstoff;
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2 eine dreidimensionale Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Tankventils gemäß der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer möglichen Anordnung gemäß der Erfindung in einem pneumatischen Fließbild;
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4 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch den Gasanschluss mit seinem Filter in dem Grundkörper des Tankventils; und
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5 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Tankventils mit allen seinen Funktionsuntergruppen in einem hydraulischen Fließbild.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft ein Fahrzeug 1 angedeutet. Dieses soll mit einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise mit komprimiertem Erdgas oder komprimiertem Wasserstoff, angetrieben werden. Der Brennstoff kann dazu in einem Verbrennungsmotor, einer Heißgasturbine oder insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff vorzugsweise auch in einem Brennstoffzellensystem in die für den Antrieb genutzte Leistung umgesetzt werden. Zur Speicherung des komprimierten Gases ist in dem Fahrzeug 1 eine in ihrer Gesamtheit mit 2 bezeichnete Speichervorrichtung vorhanden. Diese besteht aus mehreren einzelnen Druckgasbehältern 3, von denen jeder ein Tankventil 4 trägt. Dieses Tankventil 4 wird auch als On-Tank-Valve oder abgekürzt als OTV bezeichnet. Die einzelnen Druckgasbehälter 3 können dabei zusammen mit ihren Tankventilen 4 beispielsweise so wie es aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt ist, über eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden sein, sodass Gas aus der Speichervorrichtung 2 in dem Fahrzeug genutzt werden kann. Insbesondere bei der Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise für die bevorzugte Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, liegt dabei der Nenndruck bei derartigen Druckgasbehältern 3 mit ihren Tankventilen 4 typischerweise in der Größenordnung von 70 MPa. Neben den Sicherheitsanforderungen an die einzelnen Druckgasbehälter 3 sowie ihre Tankventile 4 müssen außerdem hohe Anforderungen hinsichtlich der Dichtheit aber auch hinsichtlich der Möglichkeit, diese sicher, zuverlässig und kostengünstig herzustellen, gestellt werden.
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In der Darstellung der
2 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Tankventils
4 zu erkennen. Das Tankventil
4 umfasst dabei einen Grundkörper
5, welcher im Wesentlichen aus zwei Abschnitten besteht. Ein erster Grundkörperabschnitt
5.1 ist so ausgebildet, dass er im späteren montierten Zustand des Tankventils
4 in den jeweiligen Druckgasbehälter
3 ragt. Er weist dafür in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein mit
6 bezeichnetes Gewinde auf, welches mit einem entsprechenden Gewinde in einem Aufnahmeelement, welches nicht dargestellt ist, des Druckgasbehälters
3 zusammenwirkt. Dieser erste Grundkörperabschnitt
5.1 weist außerdem eine in der Darstellung der
2 angedeutete Dichteinrichtung
8 beispielsweise aus einem oder mehreren Dichtringen und/oder Stützringen auf. Ein zweiter Grundkörperabschnitt
5.2 ist in der Darstellung der
2 im unteren Bereich des Tankventils
4 zu erkennen. Dieser zweite Grundkörperabschnitt
5.2 befindet sich nach der Montage des Tankventils
4 außerhalb des Druckgasbehälters
3. Der zweite Grundkörperabschnitt
5.2 weist dabei mehrere sogenannte Funktionsuntergruppen des Tankventils
4 auf. Die Funktionsuntergruppen im zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 umfassen dabei ein elektromagnetisch betätigtes Pilotventil
9 als Entnahmeventil zur Entnahme von Gas aus dem Druckgasbehälter
3. Es wird über eine mit
10 bezeichnete elektromagnetische Spule betätigt. Hinsichtlich der Funktionalität eines solchen Pilotventils kann beispielhaft auf die Ausführungen in der
DE 10 2013 019 978 A1 der Anmelderin hingewiesen werden.
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In der Darstellung der
2 sind weitere in den zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 integrierte Funktionsuntergruppen zu erkennen. Diese sind beispielsweise zwei parallel zueinander angeordnete manuelle Ventile
11,
12, wobei das manuelle Ventil
11 als manuelles Absperrventil
11 ausgebildet und das manuelle Ventil
12 als manuelles Entleerventil
12 ausgestaltet ist. Hierauf wird unten noch im Detail eingegangen. Als weitere Funktionsuntergruppe in dem zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 ist außerdem der Teil eines thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 zu erkennen. Solche thermisch auslösenden Sicherheitsventile sind prinzipiell aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In einer üblichen Ausführungsform wird hier eine Schraube eingesetzt, welche eine zentrale Bohrung aufweist. In der zentralen Bohrung befindet sich ein Lot oder ein über ein Lot festgehaltener Sperrkörper. Erhitzt sich der Bereich des Tankventils
4 bzw. des thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 über die Schmelztemperatur des Lots hinaus, dann wird die Durchgangsbohrung in der Schraube freigegeben und das mit der Schraube in dauerhafter Verbindung stehende Gas im Inneren des Druckgasbehälters
13 kann abströmen. Eine Alternative hierzu, welche insbesondere im europäischen und amerikanischen Markt sehr häufig eingesetzt wird, besteht in einem Aufbau, bei welchem ein Ventilkörper von einer Glasampulle mit einer leicht siedenden Flüssigkeit in Position gehalten wird. Der Siedepunkt der Flüssigkeit in der Glasampulle ist so abgestimmt, dass diese bei einer kritischen Temperatur des thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 beginnt zu sieden. Durch die Volumenzunahme beim Sieden wird die Glasampulle zerstört und gibt den Ventilkörper gegenüber dem Ventilsitz frei. Durch den Druck des Gases in dem Druckgasbehälter, welcher an dem Ventilkörper ansteht, wird dieser in eine geöffnete Position, weg von dem Ventilsitz, bewegt, sodass das Gas aus dem Druckgasbehälter
3 abströmen kann. Hierfür dient in der Darstellung der
2 und
4 eine mit
14 bezeichnete Abblasleitung, welche bei einem Ansprechen des thermisch auslösenden Sicherheitsventils
13 mit dem Inneren des Druckgasbehälters
3 verbunden wird. Neben der Abblasleitung
14 bzw. ihrer Öffnung im zweiten Grundkörperabschnitt
5.2 des Tankventils
4 liegt eine in den Figuren mit
15 bezeichnete Gewindebohrung, welche zur Aufnahme einer Schraube geeignet ist. Hier kann eine sogenannte Abblasleitung bzw. Venting Tube einfach und zuverlässig angeschraubt werden, beispielsweise in der Art, wie es in der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2013 015 515 A1 der Anmelderin beschrieben ist.
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Als weitere Funktionsuntergruppe im Bereich des zweiten Grundkörperabschnitts 5.2 ist in der Darstellung der 2 ein Gasanschluss 16 zu erkennen. Dieser Gasanschluss dient zur Entnahme von Gas aus dem Druckgasbehälter über das Pilotventil 9 und zur Betankung des Druckgasbehälters 3. In den Gasanschluss 16 ist ein erster Filter 17 integriert, wie es in 4 zu erkennen ist.
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Ein weiteres in der Darstellung der 2 erkennbares Element im Bereich des zweiten Grundkörperabschnitts 5.2 bzw. im Bereich der elektromagnetischen Spule 10 ist dabei ein mit 18 bezeichneter Steckanschluss, über welchen einerseits die elektromagnetische Spule 10 und damit das Pilotventil 9 und andererseits Messdaten, beispielsweise die eines mit 19 bezeichneten Temperatursensors, übertragen werden können. Insbesondere weist das Tankventil 4 dabei den elektrischen Steckanschluss 18 als einzigen elektrischen Anschluss auf, sodass die Verkabelung der Speichervorrichtung 2 entsprechend einfach und effizient zu gestalten ist.
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Neben dem Temperatursensor 19 ist im Bereich des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 außerdem ein auf diesem in Richtung des Inneren des Druckgasbehälters 3 montierter leicht gebogener Rohrabschnitt 21 zu erkennen. Seine Ausgestaltung ist dabei so gewählt, dass er das einströmende Gas bei der Betankung des Druckgasbehälters 3 möglichst so in den Druckgasbehälter 3 verteilt, dass es zu einer Durchmischung des Gases und damit einer zuverlässigen Messung der Temperatur durch den Temperatursensor 19 kommt. Eine Austrittsöffnung 42 des gebogenen Rohrabschnitts 21 ist dabei idealerweise gegenüber dessen Nenndurchmesser im Strömungsquerschnitt verengt, um eine Strahlbildung des einströmenden Gases zu unterstützen und damit die Vermischung des Gases im Inneren des Druckgasbehälters 3 weiter zu verbessern.
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Auf dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1 ist in der Darstellung der 2 außerdem ein mit 43 bezeichnetes Bauteil zu erkennen, welches aus mehreren Einzelteilen montiert aufgebaut ist. Dieses Bauteil 43, welches nachfolgend auch als Zusammenbaufilter 43 bezeichnet werden wird, umfasst einen Filter 20 sowie eine Rohrbruchsicherung 22 und ein Rückschlagventil 26, auf welche später noch näher eingegangen wird. Weitere Funktionsuntergruppen können dabei auch im Inneren des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 integriert ausgeführt sein.
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In der Darstellung der 3 ist in einem pneumatischen Fließbild schematisch der für die Erfindung relevante Teil des Tankventils 4 nochmals dargestellt. Das Tankventil 4 besteht wiederum aus dem mit 5 bezeichneten Grundkörper, welcher sich in die beiden Grundkörperabschnitte 5.1 und 5.2 aufteilt. Zur Betankung und zur Entnahme von Gas lässt sich das Tankventil 4 über den Gasanschluss 16, wie er in 2 zu erkennen war, an ein Leitungssystem anschließen, welches den mit dem Tankventil 4 ausgestatteten Druckgasbehälter mit einer Betankungsleitung und einem Verbraucher und/oder weiteren Druckgasbehältern 3 der Speichervorrichtung 2 verbinden.
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An den Gasanschluss 16 schließt sich der erste Filter 17 an. Der Gasanschluss 16 ist über einen Leitungsabschnitt 30 in dem Grundkörper 5 weitergeführt und verzweigt sich dann in eine Betankungsleitung 24 und eine Entnahmeleitung 25. Beide Leitungen haben dabei denselben durchströmbaren Querschnitt. Dies macht insbesondere die Fertigung der typischerweise in dem Grundkörper 5 gebohrten Leitungselemente 24, 25 besonders einfach. Die Betankungsleitung 24 führt zu dem bereits angesprochenen Rohrabschnitt 21 und weist ein Rückschlagventil 23 auf. Dieses Rückschlagventil 23 wird gegen die Kraft einer Feder beim Betankungsvorgang aufgedrückt, sodass das Gas bei der Betankung über den Rohrabschnitt 21 in den Druckgasbehälter 3 einströmen kann. Die Einströmung wird durch den Rohrabschnitt 21 dabei, wie es bereits erwähnt worden ist, an dem Temperatursensor 19 vorbeigeleitet, sodass dieser die Temperatur des sich in dem Druckgasbehälter 3 bildendenden Gasgemischs und nicht die Temperatur des unmittelbar einströmenden Gases misst.
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Die Entnahmeleitung 25 verläuft ebenfalls durch den Grundkörper 5 und endet im Bereich des zweiten Filters 20, welche im Bereich der Verbindung der Entnahmeleitung 25 mit dem Inneren des Druckgasbehälters 3 angeordnet ist, wie es auch in der Darstellung der 2 zu erkennen ist. Die Entnahmeleitung 25 weist als Entnahmeventil 9 das Pilotventil 9 auf, welches beispielsweise in der in der oben genannten deutschen Anmeldung zitierten Art und Weise funktioniert. Darüber hinaus ist in dem Entnahmepfad ein weiteres Rückschlagventil 26 vorgesehen. Dieses folgt beispielsweise entgegen der Strömungsrichtung des Gases bei der Entnahme auf den Filter 20, ist diesem also in der Entnahmerichtung vorgeschaltet, wie es bei der oben beschriebenen Darstellung der 2 bereits gezeigt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass eventuell im Bereich des Rückschlagventils enstehende Partikel, beispielsweise wenn ein Ventilkörper des Rückschlagventils an dessen Ventilsitz reibt, nicht in das Pilotventil 9 als Entnahmeventil 9 gelangen, sondern dass diese in dem Filter 20 zurückgehalten werden. Der Ventilkörper des Rückschlagventils 26 kann idealerweise durch eine Feder von seinem Ventilsitz abgehoben werden. Es wird von dem bei der Entnahme zum Pilotventil 9 strömenden Gas durch die Feder unterstützt aufgedrückt, sodass eine Entnahme problemlos möglich ist. Bei der Betankung ist es so, dass das Pilotventil 9 Gas bei höheren Druckdifferenzen durchlassen würde. Um eine Durchströmung des Pilotventils 9 zu verhindern, ist das Rückschlagventil 26 deshalb so ausgeführt, dass es bei der Strömungsrichtung bei der Betankung des Druckgasbehälters 3 die Entnahmeleitung 25 gegen die Kraft der Feder sperrt. Hierdurch wird einerseits das Pilotventil 9 geschont und andererseits wird verhindert, dass Gas über den Filter 20 und das Rückschlagventil 26 unmittelbar im Bereich des Temperatursensors 19 austritt und damit die gemessene Temperatur des in dem Druckgasbehälter 3 befindlichen Gases in unerwünschter Art und Weise verfälscht.
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Wie es in der prinzipmäßigen Darstellung der 3 und insbesondere auch in der Darstellung der 2 an einem realen Ausführungsbeispiel zu erkennen ist, ist der Filter 20 dabei am Ende der Entnahmeleitung 25 außerhalb des ersten Grundkörperabschnitts 5.1 des Grundkörpers 5 angeordnet. Dies ist hinsichtlich des benötigten Bauraums in dem Grundkörper 5 ideal. Auch das Rückschlagventil 26 ist dabei außerhalb des Grundköpers 5 in Strömungsrichtung bei der Entnahme vor dem Filter 20 angeordnet.
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Der Filter 17 kann nun insbesondere in den Bereich des Gasanschlusses 16 integriert ausgeführt sein. Ein mögliches Ausführungsbeispiel ist in der Darstellung der 4 zu erkennen. In dem Grundkörper 5 bzw. den zweiten Grundkörperabschnitt 5.2 ist dabei der Leitungsabschnitt 30 ausgebildet, beispielsweise in dem dieser von der Seite des Gasanschlusses 16 her durch eine Bohrung eingebracht wird. Im Bereich des Gasanschlusses 16 ist diese Bohrung erweitert und weist ein mit 7 bezeichnetes Gewinde auf. Ein Anschlussstück 32 des Gasanschlusses 16 ist mit dem Gewinde 7 entsprechend verschraubt. Es kann einen in geeigneter Art und Weise ausgebildeten Filter 17 beispielsweise in der in 4 dargestellten Art und Weise halten und diesen klemmend und dichtend, gegebenenfalls unter Hinzunahme von Dichtelementen wie O-Ringen oder dergleichen, welche hier nicht dargestellt sind, in dem Grundkörper 5 halten. Der für den Filter 17 benötigte Bauraum ist damit nicht oder nur minimal größer als es der Bauraum für den Gasanschluss 16 bzw. sein Anschlussstück 32 ohnehin wäre. Insgesamt lässt sich der beschriebene Aufbau mit den beiden Filtern und dem eingangs beschriebenen Filterkonzept somit sehr bauraumsparend in dem Grundkörper 5 ausbilden.
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In der Darstellung der 5 ist nachfolgend eine weitere schematische Darstellung eines Tankventils 4 in einer möglichen Ausführungsform zu erkennen. Dieses Tankventil 4 umfasst dabei weitere Funktionsuntergruppen, welche ergänzend zu dem in 3 beschriebenen Aufbau in einem derartigen Tankventil 4 enthalten sein können.
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Die Darstellung in der 5 zeigt wiederum angedeutet den Grundkörper 5 des Tankventils 4 mit dem ersten Grundkörperabschnitt 5.1, welcher im montierten Zustand im Inneren des Druckgasbehälters liegt und den zweiten Grundkörperabschnitt 5.2, welcher typischerweise außerhalb des Druckgasbehälters verbleibt. Den Kern des Tankventils 4 bildet dabei das Pilotventil 9 mit seiner elektromagnetischen Spule 10 und einer mit 29 bezeichneten thermoelektrischen Sicherung. Als weitere Funktionsuntergruppen sind das im Normalzustand geöffnete manuelle Absperrventil 11, das im Normalzustand geschlossene manuelle Entleerventil 12, das thermisch auslösende Sicherheitsventil 13 sowie der Gasanschluss 16 und ein in seinem Bereich angeordneter Filter 17 zu erkennen. Im ersten Grundkörperabschnitt 5.1 befinden sich das Rückschlagventil 23 in der Betankungsleitung 24. Die Entnahmeleitung 25 steht über den mit 30 bezeichneten Leitungsabschnitt mit dem Gasanschluss 16 in Verbindung. Dazwischen befindet sich das manuelle Absperrventil 11, welches im Normalfall, so wie es in der Darstellung der 3 zu erkennen ist, geöffnet ist. Nach dem manuellen Absperrventil 11 zweigen die Entnahmeleitung 25 und die Betankungsleitung 24 ab. In der Darstellung der 3 sind außerdem der Rohrabschnitt 21, der Temperatursensor 19 sowie der Filter 20 für die Entnahmeleitung 25 zu erkennen. Auf den Filter 20 folgen das weitere Rückschlagventil 26, welches im Normalzustand ebenfalls geöffnet ist, sowie die Rohrbruchsicherung 22. Auch diese ist im Normalfall geöffnet. Der Filter und die beiden Ventileinrichtungen des weiteren Rückschlagventils 26 und der Rohrbruchsicherung 22 können dabei zu einer einzigen Baueinheit zusammengefasst sein, welche als Zusammenbaufilter 43 in der obigen Beschreibung der 2 bezeichnet worden ist.
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Nachfolgend sollen nun die einzelnen Funktionalitäten anhand des in 5 dargestellten Beispiels erläutert werden:
Bei einer Betankung des Druckgasbehälters 3 strömt Gas über den Gasanschluss 16 und den Filter 17 durch das geöffnete manuelle Absperrventil 11. Der Druck steht dann sowohl in der Betankungsleitung 24 als auch am Pilotventil 9 über dem Leitungsabschnitt 30 und die Entnahmeleitung 25 an. Ferner steht der Druck am normalerweise geschlossenen manuellen Entleerventil 12 über einen mit 31 bezeichneten Leitungsabschnitt an. Der normale Weg des Gases bei der Betankung ist nun der, über die Betankungsleitung 24 durch das Rückschlagventil 23, welches vom Druck des Gases geöffnet wird, und durch den Rohrabschnitt 21 in den Druckgasbehälter. Bei Pilotventilen 9 ist eine sichere Abdichtung bei einer Anströmung in Gegenrichtung nicht bzw. bei höherer Druckdifferenz nicht immer zu gewährleisten. Aus diesem Grund befindet sich in dem Entnahmepfad auch die Entnahmeleitung 25, welche über das Pilotventil mit dem Leitungsabschnitt 30 in Verbindung steht, und dem Filter 20 folgend das Rückschlagventil 26, welches verhindert, dass Gas bei der Betankung über die Entnahmeleitung 25 in den Druckgasbehälter 3 strömt. Dies wäre insbesondere deshalb unerwünscht, da einerseits eine sehr starke Durchströmung des Pilotventils 9 entgegen der geplanten Strömungsrichtung zu einer Beschädigung von Elementen des Pilotventils führen könnte. Außerdem würde das Gas über zweiten den Filter 20 und die Ventileinrichtungen 26, 22 in einem Bereich aus dem Tankventil 4 austreten, indem dieses sehr direkt in Kontakt mit dem Temperatursensor 19 käme. Der Temperatursensor 19, welcher eines der entscheidenden Abschaltkriterien bei der Betankung des Druckgasbehälters 3 liefert, würde dann unnötig stark abgekühlt, sodass die Betankung im schlimmsten Fall zu früh beendet werden würde.
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Im umgekehrten Fall erfolgt die Entnahme von Gas nun so, dass das Rückschlagventil 23, gegebenenfalls unterstützt durch die angedeutete Feder, sperrt. Das Gas strömt dann über die Ventileinrichtungen 22 und 26 sowie den Filter 20 in die Entnahmeleitung 25 ein. Die gewünschte Menge an Gas wird durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung der elektromagnetischen Spule 10 und über den elektrischen Steckanschluss 18 realisiert. Die gewünschte Entnahmemenge strömt dann wiederum über den Leitungsabschnitt 30 und das im Normalfall geöffnete manuelle Absperrventil 11 zum Gasanschluss 16 und von dort weiter, beispielsweise zu einem Druckregler, und dann direkt oder mittelbar in einen Verbrennungsmotor, ein Brennstoffzellensystem, eine Heißluftturbine oder eine sonstige Nutzanwendung.
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Durch den Leitungsabschnitt 31 bleibt das manuelle Entleerventil mit dem Gasanschluss 16 verbunden, und zwar auch dann, wenn das manuelle Absperrventil 11 in die andere Position bewegt worden ist. Das manuelle Entleerventil 12 ist in der Darstellung der 5 in seiner normalen geschlossenen Position dargestellt. Soll der Druckgasbehälter 3 nun entleert werden, dann kann das manuelle Entleerventil 12 von seiner in 5 dargestellten geschlossenen in die geöffnete Position bewegt werden. Das Gas strömt dann über das Leitungselement 28 und das Leitungselement 31 mit einer Blende 50 über den Gasanschluss 16 ab.
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Ein weiteres denkbares Szenario wäre das Auslösen des an sich bekannten thermisch auslösenden Sicherheitsventils 13. Wird beispielsweise eine Glasampulle mit leicht siedender Flüssigkeit in dem thermisch auslösenden Sicherheitsventil 13 zerstört, dann wechselt dieses von seiner in 3 dargestellten normalerweise geschlossenen Position in die andere geöffnete Position. Über das Leitungselement 28 mit der Blende 51 kann das Gas dann zur Abblasleitung 14 strömen. In diesem Bereich ist typischerweise ein weiteres Leitungselement, eine sogenannte Venting Tube, angeschlossen, welche das Gas, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen, in einen unkritischen Bereich nach außerhalb des Fahrzeugs abführt. Diesbezüglich kann auf die oben bereits erwähnte deutsche Anmeldung der Anmelderin verwiesen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009-168165 A [0003]
- US 2009/0146094 A1 [0004]
- EP 1682801 B1 [0004]
- DE 102013019978 A1 [0028]
- DE 102013015515 A1 [0029]